底板裂隙發(fā)育低透氣性煤層瓦斯治理技術(shù)研究

饒 高

(湖南煤業(yè)股份有限公司,湖南 長沙 410118)

坦家沖煤礦目前產(chǎn)能約11萬t/a,自1966年建礦以來共發(fā)生煤與瓦斯突出498次,最大突出煤量4 500 t,是典型的煤與瓦斯突出礦井。礦井目前主采的6煤層平均厚5.49 m,瓦斯含量18.38 m3/t,透氣性系數(shù)為0.002 242～0.037 755 m2/(MPa·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.472 7～0.936 1 d-1,屬于較難抽采煤層。

本次瓦斯抽采工程在坦家沖煤礦2463區(qū)域?qū)嵤?該區(qū)域內(nèi)6煤層底板裂隙普遍發(fā)育。往期施工的抽排鉆孔即便設(shè)置30 m的封孔長度,抽采壓力損失幾乎是100%,抽排管內(nèi)的瓦斯壓力始終接近于0。抽采鉆孔的開孔點位于6煤層底板,底板巷道開挖形成的松動圈實測深度達到了2.4 m,抽采鉆孔開孔點的“漏風”現(xiàn)象更為嚴重。

瓦斯抽采是解決瓦斯問題的根本措施,其中的關(guān)鍵在于提高封孔段的氣密性、確保抽采鉆孔煤層段內(nèi)的負壓、增加煤層透氣性系數(shù)[1-5]。抽采管道接口的負壓并不能等同于抽采鉆孔煤層段內(nèi)負壓,封孔段的氣密性越差,抽采管口到預(yù)抽煤層段的壓力損失越大,抽采效果也就越不能得到保證[6-7]。抽采管道接口的負壓值可由抽采設(shè)備保證,封孔段的氣密性需要良好的注漿效果加以保證?，F(xiàn)有的研究成果認為,當試驗礦井煤層瓦斯含量大于 9 m3/t 時宜采用水力造穴誘突技術(shù),反之宜采用爆破誘突技術(shù)[8]。水力沖孔過程主要通過宏觀裂隙和微觀孔隙2個層面實現(xiàn)對煤體的卸壓增透作用[9]。

現(xiàn)有的理論研究成果、技術(shù)應(yīng)用案例較多,但是巖層段鉆孔氣密性低、預(yù)抽采煤層透氣性差2項不利的地質(zhì)條件同時存在的瓦斯抽采案例尚未出現(xiàn)。本文以坦家沖煤礦2463區(qū)域瓦斯抽采工程為背景,首先分析鉆孔氣密性的保證方法,并從力學角度分析水力沖孔的根本機理,提出并實施底板裂隙發(fā)育低透氣性突出軟煤層瓦斯治理方案。

1 低透氣性突出軟煤層瓦斯治理

1.1 煤層瓦斯增透技術(shù)方案選擇及機理分析

開采解放層通過強行擾動大面積改變煤層內(nèi)瓦斯的附著狀態(tài),對煤層透氣性的提升效果最好[10-11],但是坦家沖煤礦6煤層是礦井底層的可采煤層,上方也無可采煤層,因此該方法不適用。向煤層注入高壓水或蒸汽,能夠綜合通過壓裂擾動和溫度改變共同影響瓦斯的吸附狀態(tài),從而達到增加透氣性的效果[12-13],但是坦家沖煤礦沒有相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)儲備,該方法目前也不具備實施條件。

鑒于坦家沖煤礦6煤層瓦斯含量高及透氣性差,又不具備解放層的開采條件,水力壓裂也不具備實施條件,設(shè)計采用水力造穴增透技術(shù)增加煤層透氣性。高壓水射流在對煤體的切割和搬移會在煤體形成一系列具有一定寬度和長度的穴洞空間[14]。隨著穴洞空間的形成,周邊煤巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)一定會被打破,并形成破碎區(qū)域、微裂隙區(qū)域和塑性區(qū)域,原本處于吸附態(tài)的瓦斯也會在多重擾動作用的影響下產(chǎn)生流動性,其中的力學原理簡要分析如下。

處于靜水應(yīng)力場中的圓孔周邊的塑性應(yīng)力、彈性應(yīng)力可以基于摩爾—庫侖準則得到準確的解析解,再根據(jù)修正的芬涅爾公式可以得到塑性區(qū)域的半徑[15-16]。靜水應(yīng)力場中圓孔周邊塑性區(qū)如圖1所示。

圖1 靜水應(yīng)力場中圓孔周邊塑性區(qū)Fig.1 Plastic zone around a circular hole in a hydrostatic stress field

在塑性區(qū)內(nèi)可得以下方程式,其中靜力平衡條件如式(1):

(1)

式中,σrp為徑向應(yīng)力;σtp為切向應(yīng)力;r為鉆孔周圍不同深度的煤體位置。

Mohr-Coulomb屈服條件如式(2):

(2)

式中,c為巖體的黏聚力;φ為巖體的內(nèi)摩擦角。

邊界條件r=a時,則σrp=pi,解上述方程可得到式(3)、式(4):

(3)

(4)

式中,pi為支護阻力;a為巷道半徑。

假定巷道所在的原始巖石應(yīng)力場為靜水應(yīng)力場,側(cè)壓力系數(shù)=1。因此,在塑性區(qū)、彈性區(qū)邊界符合應(yīng)力分布規(guī)律σrp+σtp=2p0,可得到式(5):

(5)

式中,p為靜水壓力;a為圓孔半徑;R為塑性區(qū)半徑。

假設(shè)破碎帶巖體中的應(yīng)力小于原始巖石中的應(yīng)力,即σrp

(6)

式中,R0為塑性區(qū)邊緣半徑。

也有學者將煤巖體的蠕變性能加以考慮,將塑性范圍又細分為塑性軟化區(qū)及塑性硬化區(qū),但是都認為塑性區(qū)范圍與圓孔呈正比。水力造穴的根本作用在于擴大鉆孔整體及局部的半徑,從而誘發(fā)煤巖體塑性范圍的進一步擴大,使大范圍內(nèi)煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)不斷變化,從而對吸附態(tài)瓦斯造成擾動,達到解吸的效果。

1.2 煤層底板裂隙封堵技術(shù)方案選擇及機理分析

坦家沖煤礦6煤層底板裂隙極其發(fā)育,底板巖層鉆孔的抽采壓力損失已經(jīng)不能用透氣性系數(shù)作為指標來考核。利用窺視鏡對先前施工的鉆孔進行窺視結(jié)果如圖2所示,無序交差的裂隙遍布鉆孔孔壁,而且貫穿整個底板巖層鉆孔段。鉆孔施工過程中,施工用水的孔口反出量明顯小于進水量,孔口周邊巖層在施工過程中不間斷地有水流出現(xiàn)。往期的鉆進過程中曾試圖通過加大封孔長度削弱鉆孔漏風引起的抽采壓力損失,但即使將鉆孔的全部巖層區(qū)段全部封閉,封孔長度達到30 m,抽采壓力損失仍然接近100%。

圖2 坦家沖煤礦6煤底板巖層鉆孔內(nèi)窺Fig.2 Borehole endoscopic view of coal seam 6 floor layer in Tanjiachong Coal Mine

根據(jù)上述分析,坦家沖煤礦6煤底板巖層的裂隙必須加以充填,并輔之以更加有效的封孔措施才能真正控制巖層段鉆孔的抽采壓力損失。因此,采取預(yù)注漿充填圍巖裂隙,并輔之以 “兩堵一注”技術(shù)加大封孔長度、帶壓封孔注漿的綜合措施,提高6煤底板巖層鉆孔抽采鉆孔氣密性。

2 低突軟煤層瓦斯治理工業(yè)試驗方案

針對坦家沖煤礦北翼6煤層難抽采和其底板巖石裂隙發(fā)育的特點,2463區(qū)域瓦斯治理方案重點圍繞保證底板巖層段鉆孔氣密性、增加6煤層透氣性2個目標制定。

2.1 底板巖層預(yù)注漿封堵裂隙

首先,完全按照抽采鉆孔既定的方位角傾角布置預(yù)注漿鉆孔,通過預(yù)注漿封堵抽采鉆孔周邊圍巖的裂隙,坦家沖煤礦6煤底板封堵圍巖裂隙預(yù)注漿鉆孔設(shè)計平面如圖3所示。

圖3 坦家沖煤礦6煤底板封堵圍巖裂隙預(yù)注漿鉆孔設(shè)計平面Fig.3 Design plan of pre grouting borehole for sealing surrounding rock cracks in No.6 coal seam floor of Tanjiachong Coal Mine

(1)按照預(yù)施工抽采鉆孔的方位角、傾角、開孔點位布置孔徑94 mm的預(yù)注漿鉆孔,終孔點與煤層底板法距3 m,而后對此區(qū)段進行封孔注漿。注漿液為普通P.O42.5水泥制備的泥漿,水灰比0.8∶1,注漿壓力設(shè)定為2 MPa,倘若孔口區(qū)域出現(xiàn)大面積跑漿現(xiàn)象則停止注漿。

(2)仍然按照抽采鉆孔的方位角、傾角施工預(yù)注漿鉆孔,開孔點位與首次預(yù)注漿鉆孔間距500 mm,鉆孔直徑、注漿材料仍與首次相同,終孔點見煤,注漿壓力設(shè)定為4 MPa,穩(wěn)壓時間不小于5 min。

坦家沖煤礦6煤底板封堵圍巖裂隙預(yù)注漿鉆孔布置剖面及封堵效果如圖4所示。

圖4 坦家沖煤礦6煤底板封堵圍巖裂隙預(yù)注漿鉆孔布置剖面及效果Fig.4 Layout profile and effect diagram of pre grouting borehole for sealing the surrounding rock of No.6 coal seam floor in Tanjiachong Coal Mine

2.2 水力造穴增加煤層透氣性

2次底板注漿封堵裂隙工作完成后,在2個預(yù)注漿鉆孔中點位置開孔,以既定的方位角、傾角施工抽采鉆孔。鉆孔直徑94 mm,自底板完全穿越6煤層后進行高壓水力割煤造穴,在煤體中形成空穴。

坦家沖煤礦6煤層非常松散,相關(guān)的巖性參數(shù),如黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強度、抗拉強度很難準確測試。6煤層中已有拱形巷道凈寬3 300 mm、凈高2 800 mm,煤幫松動圈的測試深度為2 800 mm。根據(jù)等效開挖理論[17-22],拱形煤巷的等效開挖半徑為1 886 mm,塑性區(qū)域半徑為4 686 mm。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1),可知塑性區(qū)域半徑與等效開挖圓孔半徑之間的對應(yīng)關(guān)系為:

(7)

因此,坦家沖煤礦6煤中直徑94 mm和300 mm的鉆孔對應(yīng)的塑性區(qū)域直徑分別為243 mm和745 mm。水力造穴使得鉆孔的平均直徑增加,也就意味著塑性區(qū)域范圍的增加,而塑性區(qū)域擴大有利于瓦斯的解吸及抽采。

水力造穴的技術(shù)要求如下:①水力造穴高壓泵額定壓力為45 MPa,造穴時所用水壓不超過25 MPa,以保證施工安全。②水力造穴的目標是將鉆孔的平均直徑由94 mm增加至300 mm,據(jù)此可以推算造穴鉆孔的最低出煤量。鑒于坦家沖煤礦6煤的密度為1.35 m3/t,倘若煤層段鉆孔的總長為20 m,則該鉆孔出煤量的最低值為1.75 t。③水力造穴過程要圍繞整個鉆孔進行,造穴過程中鉆桿必須緩慢推進或拉出,造穴空腔必須沿整個鉆孔長度均勻分布。

2.3 大長度范圍內(nèi)“兩堵一注”封孔

水力造穴完成后,采用FKJW-50/0.5型礦用封孔器、JD-WFK-2型速凝膨脹封孔劑和ZBQ28/0.5型煤礦用氣動注漿泵等配套產(chǎn)品和設(shè)備,通過“兩堵一注”封堵鉆孔孔壁周圍裂隙,保證鉆孔的密封效果。

“兩堵一注”封孔工藝原理:通過在抽采鉆孔內(nèi)套管兩端布置囊袋并注入封孔材料,使囊袋膨脹與孔壁嚴密接觸并對孔壁形成壓力,當注漿壓力達到一定值后,注漿管上爆破閥爆裂,漿液流入2個囊袋間封孔段空間,逐漸充填實,繼續(xù)注漿,在壓力作用下,漿液沿鉆孔孔壁裂隙向周圍滲入,使得孔壁周圍裂隙得到有效充填,進而達到帶壓封孔目的。現(xiàn)場執(zhí)行方法如下:對于巖層段小于30 m的鉆孔,前端囊袋下到煤層底板;對于巖層段大于30 m的鉆孔,在30 m范圍內(nèi)用囊袋進行封孔;抽采鉆孔全程下套管,囊袋前端篩管必須深入孔底[23-30]。

3 工業(yè)試驗效果

坦家沖煤礦2463區(qū)域煤層瓦斯抽采工程自2021年3月下旬實施以來,以“預(yù)注漿、鉆到位、強增透、孔暢通、管到底、孔封嚴、水放空、不漏氣、平直順”的技術(shù)路線為指導組織施工。截至2021年12月底,已施工16組抽采鉆孔,穿層抽采鉆孔控制2463區(qū)段條帶走向長度64 m。

工作大體分為3個階段,第1階段為3月下旬—4月,第2階段為5—7月,第3階段為8月至今。第1階段因種種原因沒有采取預(yù)注漿工藝,施工的鉆孔普遍存在抽采1 d后濃度迅速衰減現(xiàn)象。第2階段采取預(yù)注漿工藝,先將多組預(yù)注漿孔集中施工完畢,再集中進行注漿的方法堵塞圍巖裂隙,但因漏漿卸壓點多,預(yù)注漿孔達不到設(shè)計壓力,該階段施工的抽采鉆孔的抽采濃度維持10 d左右后急劇下降。

第3階段對預(yù)注漿工藝進行改進:①優(yōu)化預(yù)注漿鉆孔設(shè)計,達到注漿后形成的帷幕能覆蓋所有抽采鉆孔的要求;②預(yù)注漿施工工藝,按“打一組、注一組”的原則及時對預(yù)注漿鉆孔進行注漿,對沒達到設(shè)計壓力的孔,24 h后,在其附近重新施工注漿孔進行二次、甚至更多次數(shù)注漿,直至預(yù)注漿孔升上壓為止。

第3階段施工鉆孔19個,底板巖層段與煤層段的總深度,即累計孔深最大值為73 m,最小值為23 m。對于巖層段長度達到30 m的鉆孔,采用囊袋封孔的長度全部設(shè)定為30 m;對于巖層段長度小于30 m的鉆孔,囊袋封孔長度為整個巖層段,例如累計孔深23 m的717號鉆孔的囊袋封孔長度為全部巖層段長度,即15 m。

第3階段鉆孔自2022年9月6—12日連管抽采后,一直保持著相對較高的濃度。由表1可知,除了4個受鉆孔水的影響無法正常抽采的鉆孔外,其余鉆孔的初始抽采濃度較高,且衰減很低,很多鉆孔的抽采濃度甚至一直保持升高狀態(tài)。以9月24日作為抽采濃度分析的起點,去除4個鉆孔水直接影響的鉆孔外,另外15個鉆孔在抽采過程中平均抽采濃度均較高,如圖5所示。

表1 第3階段抽采鉆孔瓦斯抽采濃度檢測表Tab.1 Gas extraction concentration detection table for the third stage of drilling hole extraction

圖5 第3階段鉆孔抽采濃度變化曲線Fig.5 Change curve of drilling extraction concentration in the third stage

由圖5可知,鉆孔的濃度始終較高,雖有一定波動,但是抽采115 d后仍然能夠保持35.6%的抽采濃度。抽采系數(shù)波動的原因在于水力造穴形成的造穴空間不斷發(fā)展變化,瓦斯的解吸范圍也隨之變化,而且造穴空間內(nèi)松散煤體會對瓦斯抽采通道造成一定影響。倘若用二階多項式來預(yù)測瓦斯抽采濃度的變化趨勢,可以得到一條緩步上升的直線,三階多項式的預(yù)測結(jié)果為緩慢波動的曲線,而且預(yù)測的抽采濃度降低時段超過200 d。

4 結(jié)語

坦家沖煤礦2463區(qū)域瓦斯抽采工程分3個階段進行:首期的抽采鉆孔無預(yù)注漿封堵底板圍巖裂隙的措施,抽采效果可以用“沒有”二字來概括;第2階段雖然采用了預(yù)注漿封堵裂隙措施,但是抽采封孔抽采順序適當,效果依然欠佳;第3階段的抽采綜合運用了“預(yù)注漿封堵+水力造穴+大長度、大壓力注漿封孔+順序抽采”的綜合措施,明顯保證了抽采效果。

坦家沖煤礦2463區(qū)域瓦斯抽采工程第3階段的成功原因有:①通過3次注漿實現(xiàn)了底板裂隙的有效封堵。3次注漿包括距煤層底板法距3 m鉆孔的首次低壓注漿、穿越煤層底板鉆孔的二次中壓注漿、囊袋封孔過程中的高壓注漿。由于底板巖層裂隙極其發(fā)育,而作為注漿材料的水泥固化過程中必然伴隨體積收縮及微裂隙發(fā)育的過程,一蹴而就的注漿方式無法有效封堵高度發(fā)育的底板圍巖裂隙,相輔相成的3次注漿才能達到預(yù)期的封堵效果。②水力造穴圍繞煤層段鉆孔全部長度開展,而不是在有限的點位集中形成造穴空腔。經(jīng)過煤層段鉆孔全部長度的水力造穴,鉆孔平均直徑由94 mm增加至300 mm,相對應(yīng)的塑性區(qū)域直徑也由243 mm增加至745 mm。塑性區(qū)域的擴大可以誘發(fā)更大范圍內(nèi)瓦斯的解吸,保證了瓦斯抽采的效果。